چرخه برایتون یک چرخه ترمودینامیکی است که عملکرد موتورهای حرارتی خاصی را توصیف می کند که هوا یا گاز دیگری را به عنوان سیال کاری خود دارند. موتورهای اولیه برایتون از کمپرسور پیستونی و منبسط کننده پیستون استفاده می کردند، اما موتورهای توربین گازی مدرن و موتورهای جت تنفس هوا نیز از چرخه برایتون پیروی می کنند.سیکل توربین گاز ممکن است آرایش تکمحوری یا دومحوری داشته باشد
در آرایش نوع اخیر از دو محور استفاده میشود که با سرعتهای مختلفی دوران میکنند.
روی یک محور کمپرسور و توربینی که کمپرسور را تغذیه میکند قرار دارند، در حالی که روی محور دیگر توربین قدرت و بار خارجی قرار میگیرند.
همچنین ممکن است روی یک محور کمپرسور و توربین فشار بالا، و روی محور دیگر کمپرسور و توربین فشار پایین و بار خارجی قرار گرفته باشند.
در هر آرایشی، به بخشی از سیستم که شامل کمپرسور، اتاق احتراق و توربین فشار بالاست، مولد گاز میگویند.
در آرایش دومحوری این امکان وجود دارد که بار سرعت متغیر داشته باشد و این موضوع برای موارد متعددی از کاربردهای صنعتی مناسب است.
گاهی توربینهای گازی را که برای رانش هواپیما طرح شدهاند، با انجام اصلاحاتی برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میدهند.
در توربینهای تکمحوری، کمپرسور، توربین و بار روی یک محور قرار میگیرند که با سرعت ثابتی دوران میکند.
از این نوع آرایش برای راهاندازی مولدهای کوچک و همچنین مولدهای بزرگ برق در نیروگاهها استفاده میشود.
سیکل توربین گاز
گازهای گرم خروجی از اتاق احتراق یا راکتور خنکشونده با گاز ممکن است مستقیماً به عنوان شارۀ کارکن اصلی مورد استفاده قرار گیرد، یعنی مستقیماً در توربین گازی منبسط شوند.
همچنین ممکن است از این گازها به طور غیرمستقیم برای گرمایش شارۀ دیگری که به عنوان شارۀ کارکن عمل میکند، استفاده شود.
در هر یک از این حالات، يعنی چرخه مستقیم یا غیرمستقیم، ممکن است سیکل توربین گاز از نوع باز یا بسته باشد.
ذیلاً اشکال مختلف سیکل توربین گاز مورد بررسی قرار میگیرند.
سیکل توربین گاز : چرخه باز مستقیم
گاز وارد کمپرسور میشود و در آنجا متراکم میگردد. آنگاه وارد اتاق احتراق یا رآکتور شده و در آنجا در حالی که فشار ثابت است (در فرایند ایدهآل) دمایش افزایش مییابد و گاز گرم از آن خارج میشود.
سپس گاز وارد توربین شده و در آنجا منبسط میشود. گاز گرم خروجی از توربین با جو بیرون سیکل مخلوط میشود و هوای تازه و خنک وارد کمپرسور میشود.
توان مصرفی کمپرسور توسط توربین تأمین میگردد. توان مفید ممکن است در خود توربین تولید شود یا درنتیجه انبساط بیشتر گاز در یک شیپوره به وجود آید که در این صورت نیروی رانشي لازم را برای حرکت مثلاً هواپیمای جتی که نیروگاه توربین گازی نیز توسط آن حمل میشود، تأمین میکند.
در چرخه باز توربین گازی، تنها از هوا میتوان به عنوان شارۀ کارکن استفاده کرد.
سیکل توربین گاز : سیکل باز غیرمستقیم
اجزای تشکیلدهنده چرخه باز غیرمستقیم همانند اجزای چرخه باز مستقیم است با این تفاوت که در چرخه غیرمستقیم هوا به عنوان شارۂ ثانویه است که گرما را در یک مبادلهکن گرما از شارۀ خنککن رآکتور دریافت میکند.
این نوع سیکل برای مواردی مناسب است که مقررات زیستمحیطی دریافت مستقیم گرما را توسط هوا مجاز نمیداند، مانند مورد دریافت مستقیم گرما از راکتور هستهای که ممکن است موجب انتشار مواد رادیواکتیو در محیط شود.
در هر حال، بهترین روش این است که از راکتور هستهای در یک چرخه بسته استفاده شود.
سیکل توربین گاز : چرخه بسته مستقیم
در سیکل بسته مستقیم شارۀ کارکن سیکل در رآکتور گرم میشود،
سپس در توربین انبساط مییابد و در مبادلهکن گرما خنک میشود و پس از تراکم در کمپرسور مجدداً وارد راکتور میشود.
در چنین سیکلی از گاز دیگری به غیر از هوا میتوان استفاده کرد.
تحت شرایط کارکردی معمولی، هیچ جریانی از گازهای رادیواکتیو وارد جو نمیشود.
در چرخه بسته این امکان وجود دارد که سطح فشار شارۀ کارکن بالا باشد و این عمل منجر به کاهش ابعاد ماشینهای دوار میشود. مناسبترین شارۀ کارکن در این سیکل هلیم است.
سیکل توربین گاز : سیکل بسته غیرمستقیم
سیکل بسته غیرمستقیم در واقع ترکیبی است از چرخه باز غیرمستقیم و سیکل بسته مستقیم که در آن رآکتور به وسیله یک مبادلهکن گرما از شارۀ کارکن جدا میشود و در عین حال شارۂ کارکن گرما را از طریق یک مبادلهکن گرمای دیگر به جو دفع میکند (شکل ۱-۵) خنککن اولیه رآکتور ممکن است آب، فلز مذاب یا گازی مانند هلیم باشد.
چرخه بسته غیرمستقیم توربین گازی
سیکل توربین گاز : چرخه ایدهآل برایتون
چرخه برایتون چرخه ایدهآل توربین گازی است. این سیکل از دو فرآیند بیدررو بازگشتپذیر و درنتیجه آیزنتروپیک) و دو فرآیند فشار ثابت تشکیل میشود
گاز ضمن فرایند ۱ تا ۲ به طور آیزنتروپیک متراکم میشود، در فرآیند فشار ثابت ۲ تا ۳ گرم میشود، و آنگاه ضمن فرآیند ۳ تا ۴ به طور آیزنتروپیک در توربین منبسط میشود.
فرآیند خنک شدن گاز از نقطه ۴ تا نقطه 1 یا در یک مبادلهکن گرما (در چرخه بسته) یا در جو (در چرخه باز) صورت میگیرد.
نمودارهای T – s , P – V برای چرخه ایدهآل برایتون
کار انجامشده در واحد زمان در توربین (به عنوان یک ماشین جریان پایا)، با صرفنظر کردن از تغییر انرژی جنبشی گاز، برابر است با آهنگ تغییر آنتالپی. درنتیجه خواهیم داشت:
که در آن:
H= آنتالپی کل گاز در حال جریان بر حسب W
h= آنتالپی ویژه بر حسب
= آهنگ جرمی جریان گاز بر حسب
معادله (۲-۱) را برای یک گاز میتوان به صورت زیر نوشت
که در آن Cp (T) گرمای ویژه فشار ثابت گاز است که تابعی از دما (T) است.|
بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
جهت بهبود عملکرد سیکل توربین گاز روشهای مختلفی وجود دارد که در برخی از این روشها با افزودن یک جزء به سیکل، عملکرد را بهبود میبخشند
و در برخی دیگر، از سیکل دیگری به عنوان سیکل تحتانی استفاده میشود. جهت بهبود از روشهای زیر استفاده میگردد:
به کار بردن مبادلهکن گرمایی در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
در این روش هوای خارجشده از کمپرسور از داخل یک مبادلهکن گرمایی که با گاز خارجشده از توربین گرم میشود، عبور میکند.
سپس، هوای گرم وارد اتاق احتراق میگردد و مقداری از آن برای سوختن سوخت مورد استفاده قرار میگیرد.
نظر به اینکه به هوای ورودی اتاق احتراق در داخل مبادلهکن گرمایی مقداری حرارت داده میشود، در اتاق احتراق با مصرف سوخت کمتری گاز به دمایی میرسد که در یک توربین بدون مبادلهکن گرمایی با صرف سوخت بیشتر ممکن است به آن دما برسد.
با کم شدن مصرف سوخت، بازده حرارتی افزایش مییابد. با اضافه کردن مبادلهکن گرمایی به سیکل، کمپرسور، توربین و کار خالص، تحت تأثیر قرار نمیگیرند و تنها مقدار سوختی که باید به اتاق احتراق پاشیده شود، کاهش مییابد و آن نیز موجب افزایش بازده حرارتی میشود.
. توربین گازی با بازیاب حرارتی
استفاده از خنککن میانی در بین طبقات کمپرسور و بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
تحلیلهای ترمودینامیکی نشان دادهاند که در سیکل ایدهآل توربین گاز افزودن یک خنککن میانی میتواند به افزایش کار ویژه سیکل منجر شود،
گرچه در برخی موارد ممکن است منجر به کاهش بازده شود.
افزایش توان به این دلیل است که مرحله دوم تراکم در دمای پایینتری شروع شده و کار کمتری مصرف میشود، اما از طرفی باید گرمای ورودی بیشتری (سوخت بیشتر) برای جبران حرارت منتقلشده از میان خنککن وارد سیکل شود افزایش تعداد خنککنهای میانی فرایند تراکم را به فرایند همدما نزدیک میکند و باعث ازدیاد کار ویژه سیکل میشود.
به ازای توان خروجی معین افزایش تعداد خنککنهای میانی باعث کاهش اندازه کمپرسور و کاهش هزینههای جاری و سرمایهگذاری آن خواهد شد.
در این روش افزایش بازده با زیاد شدن نسبت فشار مرتبط میباشد ولی افزایش نسبت فشار کمپرسور دارای محدودیتهای زیر است.
برای یک دمای ورودی معین نسبت فشار بهینهای وجود دارد که در آن بازده سیکل حداکثر میشود.
بنابراین افزایش نسبت فشار با محدودیت ترمودینامیکی همراه است.
افزایش دمای هوای خروجی از کمپرسور باعث افزایش هوای خنککننده پرههای توربین و تأثیر منفی روی بازده سیکل میگردد.
قرار دادن پس خنککن برای جلوگیری از این اثر در بسیاری از موارد باعث پیچیدگی سیکل میشود.
جنس اجزای بکار رفته در کمپرسور دارای تلرانسهای مشخصی میباشند.
افزایش دمای خروجی کمپرسور نسبتهای فشار بالا را محدود میکند، همچنین بهبود مشخصههای عملکردی سیکل ترکیبی نیازمند بالا بودن دمای خروجی توربین گاز میباشد.
نسبت فشار زیاد به کاهش دمای خروجی توربین منجر میگردد، لذا سیکلهای دارای نسبت فشار بالا برای استفاده در سیکل ترکیبی مناسب نیستند.
استفاده از خنککن میانی و مبادلهکن گرمایی عمدتاً برای بهبود بازده در شرایط بارهای جزئی میباشد.
به دلیل اینکه استفاده از خنککن میانی مستلزم استفاده از آب و تجهیزات لازم برای انتقال حرارت از خنککن میانی. میباشد و کاربرد آن محدود به توربینهای گازی صنعتی میباشد.
توربین گازی با خنککن میانی
اثر بازگرمایش در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
پس از خارج شدن آن از توربین اول در یک اتاق احتراق میتوان کار بیشتری به دست آورد.
در قسمت باز گرمایش یا اتاق احتراق ثانوی دمای گاز که در اثر انبساط در توربین اول کاهش یافته است، دوباره تقریباً به دمای اولیه (دمایی که گاز هنگام ورود به توربین اول داشت) میرسد و وارد توربین دوم میگردد.
نظر به اینکه گاز خارجشده از توربین اول دارای هوای اضافی میباشد، میتوان مقدار دیگری سوخت به داخل آن تزریق و توسط آن محترق نمود، بدون اینکه نیازی به هوا رسانی جدید باشد.
با استفاده از بازگرمایش بازده کاهش یافته اما کار خالص افزایش مییابد.
توربین گازی با اتاق احتراق ثانویه
به کار بردن مبادلهکن گرمایی و خنککن میانی در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
در این روش کاهش راندمان بر اثر خنککن میانی با اضافه نمودن یک مبادلهکن گرمایی به سیکل جبران میشود.
توربین گازی با بازیاب حرارتی و خنککن میانی
به کار بردن مبادلهکن گرمایی و بازگرمایش در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
در این روش کاهش راندمان بر اثر بازگرمایش با اضافه نمودن یک مبادلهکن گرمایی به سیکل جبران میشود.
با این کار از درجه حرارت بالای گاز خروجی، در یک مبادلهکن گرمایی بهطور کامل بهرهبرداری میشود و همچنین با افزایش حرارت داده شده به سیکل، ازدیاد کار خروجی بیشتر از زمانی است که از باز گرمایش استفاده نشود.
توربین گازی با بازیاب حرارتی و بازگرمایش
به کار بردن مبادلهکن گرمایی به همراه خنککن میانی و بازگرمایش در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
در این روش قدرت خروجی در اثر خنککن میانی و اتاق احتراق ثانوی (بازگرمایش) افزایش مییابد و بازده حرارتی نیز توسط بازیاب حرارتی زیاد میشود
و حداکثر مقدار بازده حرارتی به طرف نسبت فشار کمتر در مقایسه با سیکل ساده، انتقال پیدا میکند.
اما باید توجه کرد که به کار بردن این اجزاء در توربین گازی سادگی آنها را از بین میبرد و حجم زیاد و نیاز به آب سرد نیز موارد دیگری است که در اثر اضافه شدن خنککن میانی به وجود میآید.
توربین گازی با بازیاب حرارتی، خنککن میانی و بازگرمایش
اثر تزریق بخار در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
در این روش از انرژی حرارتی گازهای گرم خروجی برای تولید بخار و سپس تزریق آن به سیکل استفاده میشود.
اهمیت این روش در آن است که تزریق بخار ضمن افزایش جریان جرمی گذرنده از توربین، باعث افزایش گرمای ویژه گازهای گرم نیز میگردد.
این عامل سبب افزایش کار توربین شده و بهبود عملکرد را به همراه خواهند داشت. مساله مهمی که در این روش مطرح است مصرف آب است.
مصرف آب معمولاً بین ۱/۱ تا 6/1 کیلوگرم آب با میزان خلوص بالا به ازاء هر kWh خروجی الکتریسیته است.
سیستم خالصسازی آب برای یک واحد بزرگ حدوداً ۵٪ کل هزینه واحد است و هزینه عملیاتی آن حدود ۵٪ هزینه سوخت میباشد.
توربین گازی با تزریق بخار
مکانهای مختلف تزریق بخار
١- تزریق بخار به نازل سوخت پیش از محفظه احتراق
در این حالت بخار پس از اختلاط با سوخت در نازل به ناحیه اولیه احتراق تزریق میشود.
این امر سبب کاهش دمای شعله شده و باعث کاهش آلایندهها میشود.
حداکثر مقدار بخار تزریقی در این حالت تقریباً ۴٪ هوای ورودی کمپرسور است.
۲- تزریق بخار به ناحیه رقیقکننده پیش از محفظه احتراق
در این مرحله بخار به همراه هوای اضافی باعث خنککاری پوسته محفظه احتراق شده
و علاوه بر خنککاری اجزای داغ دمای محصولات احتراق را نیز پایین میآورد.
٣- تزریق بخار پیش از توربین مولد گاز
در توربینهای گازی چندمحوره قبل از ورود گازهای حاصل از احتراق به توربین مولد گاز بخار پاشیده میشود.
ین کار سبب میشود که همواره بتوان در شرایط کاری مختلف مقدار ثابت و مشخصی توان از توربین قدرت دریافت نمود.
۴- تزریق بخار پیش از توربین قدرت
در مواردی که محور توربین قدرت از مولد گاز جدا میباشد میتوان جهت افزایش توان، بخار را مستقیماً به توربین قدرت تزریق نمود.
۵- تزریق بخار به هوای خنککاری خروجی از کمپرسور
اختلاط بخار با هوای خنککاری، گرمای ویژه مخلوط را افزایش داده و باعث جذب بیشتر حرارت از سطح توربین خواهد شد.
بنابراین مقدار هوای خنککننده کمتر شده و تلفات خنککاری کاهش خواهد یافت.
امروزه استفاده از سیکل ترکیبی در سیستمهای تولید برق و سیستمهای تولید همزمان شاید بهترین راه استفاده از توربینهای گازی پیشرفته باشد.
سیکلهای توربین گازی پیشرفته به صورتهایی نظیر تزریق بخار، خنککن میانی، بازیابی و …. قابلیت رسیدن به بازدههای بالا را دارند اما قبولیت زیادی که سیکل ترکیبی از آن برخوردار است نرسیدهاند.
افزایش بازده و کاهش میزان آلودگی اهداف اصلی توسعه سیستمهای پیشرفته تولید الکتریسیته میباشند که در آنها اساساً از سیکلهای توربین گازی پیچیده استفاده میشود.
سیکل تبخیری و بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
مزیت عمده سیکل تبخیری عدم نیاز آن به بویلر میباشد،
یعنی آب به صورت مایع داخل جریان هوای خروجی کمپرسور میشود.
گرمای هوای فشرده توسط آب جذب شده و آب بخار میشود.
سپس ترکیب تکفاز توسط گازهای خروجی توربین در یک مبادلهکن گرمایی مناسب گرم شده و بعد وارد اتاق احتراق میگردد.
مزایای این سیکل همانند سیکل دارای تزریق بخار است یعنی دبی جرمی در توربین افزایش یافته و گرمای ویژه سیال عامل بیشتر میشود.
این تغییر در سیکل سبب افزایش بازده و کار سیکل میشود اما کار ویژه حدود ۲۰٪ از کار ویژه مربوط به سیکل مشابه دارای تزریق بخار کمتر است.
همانند سیکل تزریق بخار تأمین آب مصرفی مسألهای است که باید در نظر گرفته شود.
اما باید توجه شود که میزان آب مورد نیاز آن تقریباً نیاز سیکل مشابه با تزریق بخار است.
سیکل تبخیری
سیکل ترکیبی در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
اجزای اساسی یک سیکل ترکیبی، شامل یک توربین گازی به عنوان سیکل بالایی، یک مولد بخار با حرارت بازیافتی و یک واحد توربین بخار به عنوان سیکل پایینی میباشد.
در این سیکل، گاز خروجی از توربین گازی، ضمن عبور از بویلر بازیافت گرما گرمای خود را از دست میدهد و در دمایی بالاتر از دمای شبنم محصولات احتراق از بویلر خارج میگردد.
راندمان این سیکل در حدود ۵۵ تا ۷۵ درصد است.
سیکل ترکیبی
سیکل ترکیبی به سه شکل ذیل موجود میباشد:
1) سیکل ترکیبی تک فشاری
۲) سیکل ترکیبی دو فشارۀ
۳) سیکل ترکیبی سه فشارۀ
برای استفاده بیشتر از گرمای گازهای خروجی توربین گازی، سیکل ترکیبی با فشار دوتایی و سهتایی مورد استفاده قرار میگیرند.
مزایای استفاده از سیکلهای ترکیبی عبارتند از:
بازده حرارتی بالا
کاهش تولید SOX، CO، NOX و CO2
هزینه اولیه کم و زمان ساخت کوتاه (۲-۳ سال)
راهاندازی سریع
بازده بالا برای تولید توأم الکتریسیته و حرارت
گستردگی دامنه تولید انرژی الکتریکی (بین ۱۰ تا MW۷۵۰)
سیکل توربین گاز با اکسیداسیون جزئی
در این سیکل گاز طبیعی به طور جزئی در یک راکتور اکسید شده و به یک مخلوط گازی CO/H2 تبدیل میشود.
بخار آب که توسط گازهای خروجی از توربین گرم شده است،
با گاز طبیعی وارد واکنش شده و مقداری هوای متراکم نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
چون واکنش در فشار ۷۰ بار اتفاق میافتد، گاز طبیعی با فشار بالا مورد نیاز است. محصولات واکنش در یک توربین با قدرت معمولی تا فشار ۴۰ بار که فشار محفظه احتراق است، منبسط میگردد.
سرانجام، گاز طبیعی با محصولات واکنش و قسمت دیگر هوای متراکم (بدون منبسط شدن در توربین اول) در محفظه احتراق سوخته و جریان عبوری از توربین گازی اصلی را تشکیل میدهد.
عملکرد سیکل به دلیل بالا بودن ظرفیت گرمایی ویژه گاز مخلوط، کاهش تولید NOx و کم شدن هوای لازم برای احتراق بهبود مییابد.
. توربین گازی با اکسیداسیون جزئی
اثر خنککاری پرههای توربین در بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
استفاده از توربینهای با دمای ورودی بالاتر، منجر به بهبود عملکرد سیکل خواهد شد که نتیجه آن افزایش مؤثر در کار و بازده سیکل خواهد بود.
برای این منظور لازم است از یک طرف توسعه قابل قبولی در جنس مواد ساختاری اجزاء سیکل برای تحمل دما و تنشهای حرارتی بالا به وجود آید و از طرف دیگر تکنولوژی خنککاری اجزایی که در معرض گازهای گرم قرار دارند بهبود یابد.
در چنین شرایطی است که اجزاء مختلف سیستم ضمن آنکه در دمای عملکرد بالایی قرار دارند، از لحاظ تحمل تنشهای حرارتی و خوردگی مورد اطمینان قرار خواهند گرفت.
. خنککاری پرههای توربین
سیکل توربین هوای مرطوب
سیکل توربین هوای مرطوب (HAT) بر پایه افزایش کار خروجی توربین گازی با استفاده از هوای مرطوب به عنوان سیال عامل شکل یافته است.
حرارت ناشی از خنککاری هوای کمپرسور و گازهای خروجی توربین برای تولید بخار مورد استفاده قرار میگیرد. این هوای مرطوب دوباره برای ورود به توربین گرم میشود.
جریان هوایی که مرحله اول را ترک نموده است و در خنککن میانی سرد میشود، مقداری گرما برای تبخیر آب تأمین میکند.
خنککن پسین نیز یک مبادلهکن گرمایی گاز-آب میباشد که به عنوان منبع گرما برای تبخیر آب به کار برده میشود.
صرفهجویی گرمای گازهای خروجی دما پایین را بازیافت میکند و آن را به سیکل بر میگرداند و باعث میشود آب در اشباعکننده تبخیر شود.
اشباعکننده مبادلهکن گرمایی آمیخته گاز-آب است که در چندین مرحله در مقابل جریان ایجاد بخار آب در فشار متغیر عمل مینماید.
بنابراین در دماهای متغیر گرمای لازم برای تبخیر توسط آب داغ خروجی از خنککنهای میانی و پسین و اکونومایزر تأمین میشود.
در کوپراتور گرما از گازهای خروجی دما بالا بازیافت شده و مخلوط بخار هوا قبل از ورود به محفظه احتراق گرم میشود.
در این حالت بازده سیکل HAT به ۵۵% میرسد. مزایای سیکل HAT شامل بازده بالا، کاهش کار تراکم، افزایش کارایی و درنتیجه تغییرپذیر بودن دمای تبخیر، افزایش قدرت خروجی توربین، کاهش تولید NOx در محفظه احتراق میباشد.
سیکل توربین هوای مرطوب
خنککاری هوای ورودی کمپرسور و بهبود عملکرد سیکل توربین گاز
عملکرد توربین گازی شدیداً تحت تأثیر دمای هوای ورودی به توربین است یعنی توان و بازده توربینهای گاز با افزایش دمای محیط کاهش مییابد.
به همین دلیل برای جبران این کاهش، از خنککاری هوای ورودی به کمپرسور استفاده میشود.
دمای محیط از دو جنبه عملکرد توربین گازی را تحت تأثیر قرار میدهد:
۱- با افزایش دمای هوا چگالی آن درنتیجه دبی جرمی کاهش مییابد و کاهش دبی جرمی هوا باعث کاهش قدرت خروجی توربین گازی میشود.
۲- افزایش دمای ورودی کمپرسور سبب افزایش کار ویژه کمپرسور شده و این امر باعث کاهش بیشتر قدرت خروجی توربین گازی میشود.
علت این امر این است که کار ویژه کمپرسور را میتوان از رابطه ذیل محاسبه کرد:
در این رابطه Ta,in دمای هوای ورودی کمپرسور و Cp.a و به ترتیب گرمای ویژه فشار ثابت و نسبت گرمای ویژه هوا است و در دمای میانگین موجود در کمپرسور محاسبه میشود.
با توجه به این رابطه مشاهده میشود که کاهش دمای هوای ورودی کار ویژه کمپرسور را کاهش داده و درنتیجه بازده توربین افزایش مییابد و برعکس با افزایش دمای هوای ورودی کار ویژه کمپرسور افزایش یافته و بازده توربین کم میشود.
با توجه به نوع توربین گازی انرژی الکتریکی خروجی به ازای هر ۱۰ درجه سانتیگراد افزایش دمای هوای ورودی کمپرسور حدود ۶ تا ۱۰ درصد کاهش مییابد و به ازای همین مقدار افزایش دمای ورودی حرارت ویژه مورد نیاز حدود 5/1 تا ۴ درصد افزایش مییابد.
برای مثال در دمای حدود ۴۰ تا ۴۵ درجه سانتیگراد توربینهای گازی که معمولاً در ممالک اروپایی جهت تولید الکتریسیته بکار میروند حدود ۲۰٪ کاهش در قدرت خروجی را نشان میدهند.
شرایط استاندارد هوای ورودی به توربین گازی
شرایط استاندارد هوای ورودی به توربین گازی به شرح ذیل است:
دمای حباب خشک ۱۵۰ درجه سانتیگراد
رطوبت نسبی 6%
فشار محیط bar۱
روشهای خنککاری هوای ورودی توربین گاز
روشهای مختلفی برای خنککاری هوای ورودی توربین گاز وجود دارند از جمله:
١- سرمایش تبخیری (بر اساس روش مدیا)
۲- سیستم مهسازی
٣- سیستم تبرید مکانیکی
۴- تبرید مکانیکی با ذخیره یخ
۵- چیلر جذبی
که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند.
استفاده از بازیاب شیمیایی در بهبود سیکل توربین گاز
سیکل توربین گاز با بازیاب شیمیایی از یک فرآیند ریفورمینگ برای تبدیل متان، آب و بعضی مواقع CO2 به مخلوط سوخت منواکسید کربن و هیدروژن استفاده میکند و مخلوط حاصل برای سوزاندن در محفظه احتراق استفاده میشود.
این واکنش endothermic حرارت را در دمایی پایینتر از دمای احتراق جذب میکند و بدین طریق ارزش حرارتی سوخت افزایش مییابد.
با سوخت غنی هیدروژن، احتراق در دمای شعله پایینتری رخ میدهد که این مسئله باعث کاهش تشکیل NOx میشود.
دماهای خروجی توربین گاز برای یک واکنش ریفورمینگ کامل به حد کافی بالا نیست. در C°۵۵۰ تنها ۲۰٪ سوخت ریفورم میشود.
به منظور افزایش دما، از گرمایش مجدد استفاده میشود.
سیکل توربین گاز با بازیاب شیمیایی دو نوع است:
الف) steam reforming
ب) flue gas recycling
در نوع باز ریفورمینگ بخار، بخار تولیدشده در یک مولد بخار، با گاز طبیعی در یک ریفورمر مخلوط میشود. همانگونه که در شکل نشان داده شده است.
در نوع دیگر، بخشی از گازهای خروجی از بازیاب شیمیایی مجدداً استفاده شده و متراکم میگردد و سپس با سوخت تازه مخلوط وارد ریفورمر میشود. سیکل توربین گاز با بازیاب شیمیایی نشان داده شده است.
نتیجهگیری
عیب عمده توربین گازی که استفاده از آن را به عنوان یک نیروگاه تأمین بار پایه دچار مشکل میکند، پایین بودن بازده گرمایی آن، همچنین، سازگار نبودن با سوختهای جامد است.
وأم بودن هزینه سرمایهگذاری پایین و بازده پایین در توربین گازی موجب میشود که از آن عمدتاً به عنوان نیروگاه تأمین بار قله استفاده شود که انتظار نمیرود چنین نیروگاهی بیشتر از ۱۰۰۰ یا ۲۰۰۰ ساعت در سال در مدار باشد.
با به کارگیری روشهای بالا میتوان تا میزان قابل توجهی راندمان سیکلهای ترکیبی را بالا برد و در جهت بهینه کردن سیکلهای ترکیبی گامهای موثر و رو به جلویی برداشت.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
سیکل ترمودینامیکی توربین گاز
- rohamavation
نام: roham hesami radرهام حسامی راد
محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2
عضویت : سهشنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴
پست: 3282-
سپاس: 5494
- جنسیت:
تماس: